試析高層住宅建筑結構設計要點及優化

陳波

南充綠地申川置業有限公司，中國·四川 南充 637000

1 引言

現階段，高層建筑已經成為中國各城市中的一大主要的建筑形式，這類建筑在緩解城市用地緊缺、解決居民辦公居住需求等方面發揮出了重要作用。與中低層建筑相比，高層建筑規模大、高度高，因而建筑結構也較為復雜，建筑設計與施工難度均相對較大。下面結合實際，就高層住宅建筑結構設計問題做以下具體分析。

2 高層住宅結構體系

目前中國各地的高層建筑普遍采用的是鋼筋混凝土結構，結構體系多采用框架剪力墻、剪力墻等。下面就這兩種結構體系做簡要分析。

2.1 框架剪力墻結構體系

建筑框架剪力墻結構由兩大部分構成，分別是框架與剪力墻。在整個結構體系中，剪力墻主要承受水平荷載，框架主要承受豎向荷載，框架與剪力墻分工明確，受力合理，有效維護了建筑的穩定性與安全性。因此，框架剪力墻結構目前在高層建筑中應用的比較廣泛，中國各地25層以下的建筑物多使用該種結構體系[1]。

2.2 剪力墻結構體系

剪力墻結構體系使用的是鋼筋混凝土墻板，在高層建筑中，使用鋼筋混凝土墻板代替框架結構中的梁柱，使建筑有較好的抗震能力、抗荷載能力，讓建筑結構相對穩定（見圖1）。研究與實踐證明，剪力墻結構體系的剛度要大于框架剪力墻結構，因此其的適用范圍也更廣。框架剪力墻結構多適用于25層以下的建筑，而剪力墻可以用于40層以下的高層建筑[2]。

圖1 剪力墻結構圖

3 高層住宅建筑結構設計要點

3.1 結構體系設計

相較于中低層住宅建筑，高層住宅建筑結構設計難度要更大。這是因為，當建筑高度越大時，其的受力也就更加復雜，進行結構設計時考慮的因素就更多。研究表明，高層住宅建筑不僅受到水平荷載與豎向荷載的共同作用，而且側向位移也會隨著建筑高度的增加而增加。當建筑側向位移過大時，建筑底部彎矩也就會超出正常范圍，進而導致建筑的安全性與穩定性大大降低[3]。因此，在進行高層住宅建筑結構設計時，必須基于專業知識，結合建筑所在環境特征綜合考慮建筑受力情況，建立與之對應的結構剛度體系，從而保證建筑結構的安全穩定。進行結構設計時，要嚴格遵循簡單、對稱、平面規則等原則進行布置，要避免出現平面形狀不規則的情況。這是因為，當建筑平面形狀不規則，那么建筑結構產生扭轉的可能性就會更大。在設計結構體系時，應合理控制剪力墻數量，盡量減少剪力墻結構的布置，可選用大開間的剪力墻結構布置方案。設計時對樓層間的剪力系數進行控制，不能使其超出規范的極限范圍。設計時調整剪力墻結構連續跨高比，將該指標控制在2.5。

3.2 高寬比控制

高層住宅建筑體形龐大，一些復雜部位難以進行精確計算，因此在進行高層住宅建筑結構設計時，一方面要根據建筑高度科學選擇合適的結構體系，另一方面還需要運用概念設計進行精準分析。

在設計過程中設計人員應當準確把握以下要點：

①建筑的高寬比影響建筑結構的側向變形能力，當建筑高寬比增大時，結構側向變形能力也就會越強，進而傾覆力矩會更大。因此，在設計過程中要對建筑的高寬比做合理限制[4]。在高層建筑結構中，高寬比是可以作為一個宏觀控制指標來對結構形體的合理性作出判斷。在建筑形體要求特定的情況下，當高寬比指標與限值接近或超過限值，就應當結合剪重比、層間位移角等對結構做進一步的分析。同時為了使建筑結構的高寬比合理，就可在設計階段對建筑層間位移角進行控制，使層間位移角與規范最低要求相比有一定的余量。

②在設計時對建筑結構的穩定性、整體的抗傾覆性進行驗算，根據驗算結果控制基礎邊緣確保不會出現負應力。在設計過程中可根據實際情況對建筑結構的抗側構件剛度做適當的加強，使結構剪重比指標合理。

3.3 抗側力體系布置

在進行高層建筑結構設計時，要充分考慮好建筑抗震減震問題，要能通過優化建筑平面設計、剛度設計等提高建筑抗震能力，減少地震對建筑的損害。研究與實踐證明，對于高層住宅建筑來說，如果建筑結構的剛度不夠均勻、平面布置不夠合理、屋頂存在局部突出或者是高低錯層連接、建筑高度方向剛度突變，那么均會導致建筑抗震減震的能力降低。因此，在設計過程中，要能夠根據高層住宅建筑的體積、高度、形態等特征采取有效措施對抗側力體系進行控制。具體來說在設計過程中設計人員要能做到以下幾點：

①進行建筑平面布置時，要盡可能對稱布置，減少平面形狀復雜、不規則、不對稱等情況。

②在設計過程中要合理控制建筑結構剛度中心與水平力作用點的關系，避免出現較大的偏心距[5]。

3.4 豎向結構布置

在設計高層住宅建筑的豎向結構時，一般是要遵循剛度連續均勻的原則，不能出現剛度突變，要全面保證結構的穩定性與安全性。設計人員在布置豎向結構時，要提前對一些可能發生的問題進行考慮并做好預防。如結合實踐經驗可知，在結構豎向布置環節極有可能出現薄弱層，從而導致結構整體的穩定性降低。基于此，在設計時就要使豎向剛度由上到下均勻、連續變化，避免出現突變。除了剛度突變外，在豎向結構布置環節也容易出現“鞭梢效應”，設計人員也需做好預防與處理。對高層住宅建筑的震害做深入分析可知，建筑結構上的薄弱層、剛度突變的部位等都是非常容易出現震害的地方，在設計過程中就需要通過調整或優化結構來提升建筑整體的抗震性，如對某高層住宅建筑，底部采用框架剪力墻結構體系，在建筑四五層時使用梁式結構進行轉換，以此提升建筑整體的抗震能力[6]。

3.5 地基基礎設計

地基基礎設計也是高層住宅建筑結構設計中的一部分重要內容，地基基礎設計質量會對建筑整體的穩定性、耐久性產生很大影響，因此必須提高重視。在進行基礎部分的設計時，一是要通過全面的勘察掌握該地水文地質條件，了解土壤類型特征，提前發現一些不利于建筑施工的因素，如軟土層等，并做好處理，從根本上提高建筑結構的穩定性。二是在設計時要根據當地實際的土壤、巖層條件來合理選擇深基坑支護結構，防止建筑基礎部分出現變形、沉陷等問題。

3.6 地下室設計

地下室設計是高層住宅建筑結構設計中的重點與難點，在設計時一定要高度樹立質量意識與安全意識，結合工程實際情況做好地下室防滲漏、抗浮設計等各項工作，確保地下室在建成后能正常使用。高層住宅建筑的地下室工程一般具有層數多、結構長等特點，因此可嘗試采用預應力無梁樓蓋，對地下室負一層頂板使用具有粘結預應力砼無梁樓蓋，其余部分采用無粘結預應力砼無梁樓蓋。這一設計方案的優點是，能減少地下室開挖深度，減少工作量并降低施工難度與施工成本，同時也能對地下室混凝土裂縫問題進行預防（地下室混凝土裂縫問題一般是由地下室超長結構的混凝土收縮引起）。除此之外，為保證地下室使用過程中的安全，要對地下室底板采取抗浮措施，可以采用抗浮錨桿來解決地下室抗浮需求。

4 高層住宅建筑結構設計優化措施

4.1 建筑結構耐久性優化

在進行高層住宅結構設計時，一些設計人員容易忽視結構的耐久性優化問題，導致建筑難以達到規定的使用年限，不僅造成能源資源的巨大浪費，而且也使居住者的人生安全與財產安全得不到保障。因此，在設計活動中必須要做好建筑結構耐久性優化設計。

①設計時要對建筑所在的環境做全面的勘察與分析，明確環境中對建筑不利的因素，然后有效規避，將外部環境對建筑的負面影響降到最低。

②在設計過程中要能科學處理建筑受力、建筑高度與水平位移等要素，要保證建筑結構受力均勻，安全穩定。在設計階段，要結合實際情況科學均衡建筑主體、裙房以及頂部的尺度關系，使建筑能較好的融入到環境中。設計時，要能樹立整體性思想，通過對建筑高度、體積、結構布局等的優化有效提升建筑結構的耐久性。

4.2 結構細部優化設計

在進行高層住宅建筑結構設計時，不僅要做好建筑結構的整體設計，而且要對各細部進行優化，如在設計現澆板時，要從安全性、經濟性等多方面進行考慮，在確保建筑結構安全穩定的基礎上將異形板劃分為矩形板，通過這樣的調整讓建筑結構的受力更加合理，也讓拐角部位不易出現裂縫。在設計底框梁箍筋時，可從環保、經濟等角度考慮將冷軋帶肋鋼筋運用到高層住宅建筑結構中，這樣既能降低施工難度，也能減少材料投入與成本支出，從而讓整體的設計效果更為理想。

4.3 建筑剪力墻優化設計

在進行剪力墻設計時，最主要的點是把握好結構中的連梁。結合以往經驗可知，在設計剪力墻時經常會出現連梁鋼度增大的情況，而當連梁剛度增大時，在地震作用下剪力墻結構所需要承擔的作用力也會增大，這不利于建筑結構的穩定。因此，在設計時可將建筑中的連梁設計為剛度與截面較小的弱連梁，以此優化整體的設計效果。

4.4 建筑抗震設計優化

抗震設計是高層住宅建筑結構設計中的一大重要內容，抗震設計質量直接關系到建筑使用安全與人員安全。為此在進行建筑結構設計時，要加大對建筑抗震能力的研究。傳統的結構抗震設計主要是利用主體結構的剛度來抵抗地震波的沖擊。這種技術方法容易導致建筑主體結構受損，從而使建筑可用年限縮短。因此，建議在設計時可通過運用現代化技術手段來提升超高層建筑的抗震性能，如在建筑中安裝消能裝置，利用消能裝置削減地震沖擊力以實現對建筑主體結構的保護。此外在結構設計過程中要能嚴格依據《建筑結構抗震設計規范》《鋼筋混凝土結構設計規范》中的相關規定與要求進行，確保建筑有較強的抗震能力。在具體的設計活動中設計人員還需要按照“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓弱拉”的原則進行設計，確保建筑結構有較高的穩定性。

5 結語

綜上所述，高層住宅建筑結構設計具有一定的復雜性、知識性與專業性，技術難度較大。在進行高層住宅建筑結構設計時，要能結合工程實際情況，依據國家相關規范與標準，科學做好建筑結構體系、抗側力體系以及基礎工程等的設計，全面保證高層建筑結構質量。